风机叶片载荷情况定义.docx

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风机叶片载荷情况定义

风机叶片载荷情况定义（标准的附录）

A1总则

A1.1确定载荷情况是为了进行静强度和疲劳强度分析。

如有必要，应考虑系统的动态特性（例如共振、动态的不稳定性）。

疲劳分析应采用适当的方法考虑风速在风轮扫掠面上的不均匀分布造成的影响，这种不均匀分布是确定因素（垂直风速梯度、塔影）和随机因素（局部阵风、湍流）影。

向的结果。

A1.2按照A2尤其是湍流度（A2.2.5）考虑所有的外界条件来建立用于疲劳分析的实际载荷谱，可能包括很多理论上的和计算上的工作。

为此，在A4.7中给出了一个确定风轮直径最大46m、具有三片或三片以上叶片水平轴风力发电机组替代载荷谱的简化方法。

A1.3为了确定载荷，把外界条件和运行状态按照它们发生的概率来细分。

外界条件和运行状态在统计上是相互独立的，所以罕见外界条件和罕见运行状态的组合通常不予考虑。

需考虑的最小的载荷情况组合列于A4及A5中表A4里。

A1.4A6里给出了水平轴、三叶片或三叶片以上风力发电机组的简化设计载荷谱。

A2外界条件

A2.1总则

A2.1.1本标准中，外界条件意味着在风力发电机组上所有的外在影响，这些影响既来自于山岳和地形条件又来自于气象条件和其他外部原因（例如电网连接、机械驱动机构）。

A2.1.2为了和运行状态相结合，外界条件分为正常外界条件和极端外界条件两种。

正常外界条件通常是指那些具有每年一次或更多次概率的情况，而极端外界条件是指具有50年一遇概率的情况。

A2.1.3载荷的确定是以安装风力发电机组地点的气候条件和地形数据为基础的，尤其应注意一些特殊地区，例如，极地、高山地区、沙漠和有热带风暴的地区。

如果不能充分了解实际环境条件，风力发电机组可以按照A2.2提到某种等级及下面描述的数据进行设计。

吊装风力发电机组之前，应确保设计状态包含了该地区比较普遍的外界条件，对于风场中安装好的风力发电机组，应考虑机组之间的相互影响，和其他情况一样，它明显地增加了来流风的湍流和不均匀性。

A2.1.4根据相关的外界条件划分的五个等级为I至IV级和S级，风力发电机组相应地分为五个等级，下面给出I至IV级相关的外界条件，S级和这里给出状态不同，单独加以定义。

A2.1.5安装在沿海地区的风力发电机组，要考虑选择适当的材料、涂层和保护膜及定期检查等措施进行防腐保护，机械和电气元件的确定不仅应考虑整体性能还应注意腐蚀对功能的影响。

例如，传感器失效或组件锈死的故障。

由于在进行疲劳强度计算时，未考虑腐蚀的影响。

因此，对于叶片更应考虑防腐蚀的措施。

A2.1.6风力发电机组是暴露在外的设备，应考虑遭雷击的危险。

A2.1.7设计叶片时，要考虑冰雹和可能的鸟撞影响。

A2.2气象数据

A2.2.1风力发电机组的等级

A2.2.1.1风力发电机组的等级是根据具有50年一遇平均概率的极限风速的10min平均值-VE和多年来年平均风速VM（在轮毂高度处）来划分的。

见表A1。

A2.2.1.2为了与国际标准（IEC61400-1）的极限载荷情况的安全水准保持兼容，在为极限载荷情况计算设计载荷时，表A1中的极限风速VE及由此导出的所有风速应减少70%。

A2.2.250年一遇的阵风

A2.2.2.1在轮毂高度处，具有50年一遇平均概率的5秒钟内最大风速平均值-VE，

由表A1里50年一遇的极限风速VE乘以系数1.4得到，即-VE=1.4-VE。

对于其他高度，这一系数可以根据A2.2.8利用风速梯度进行转换，阵风可能偏离平均风向达±15角。

A2.2.2.2有时，在另外一段时间内求平均值的，或者具有其他出现概率的极限风速是有效的。

在缺少其他确定数据的情况下，具有百年一遇概率的风速减少4%可以转化为50年一遇的风速。

同样地，对于3s的阵风转换为5s的阵风，风速可减少3%。

把60min内平均风速值提高10%可以转换为10min平均风速。

于平坦地带的高度。

对于tanφ≤6≥hhub/H≥2的地区来说，风速的增加可通过将表A1的风速及由此导出的所有风速增加10%来考虑。

A2.3.3对于在斜坡上的风力发电机组来说，实际上风速矢量可能偏离水平方向，因此，在整个工作寿命期间，假定风速从下向上的攻角偏离水平线10°。

A2.4电网负载变化的影响

如有必要，应考虑连接在电网上负载对电网的特殊影响（例如在弱电网中的频率、电压和载荷波动、电动机驱动的机械、电网故障）。

———小时电网故障和（或）失载应视为正常的外界条件，例如，对风力发电机组的最大影响为

———在一孤立电网中的主频、电压和载荷波动；

———干扰电压；

———短路；

———机械设备突加的负载。

A2.5地震

有地震危险的地区应考虑由地震产生的载荷。

A3运行状态

A3.1总则

在正常状态、经常发生的工作状态、很少发生的故障情况、故障发生后的情况以及运输和安装状态之间制定了区别。

注：

对水平轴风力发电机组的所有工作状态应考虑A2.2.5.1中的恒定偏航误差。

在研究制动机构的制动性能时，对A3.2.4和A3.3.1的停机状态应考虑其最小制动力矩。

最大制动力矩将用来确定极限载荷。

A3.2正常运行

A3.2.1待机

当风力发电机组没有故障或其他停机的条件且风速在规定的功率输出范围之外时，风力发电机组处于待机状态，机组停车或空转，这取决于它的设计和工作原理。

A3.2.2起动

起动状态为介于待机状态及功率输出状态之间的过程，或者处于功率输出的不同状态之间，例如，从低转速到高转速的一个过程。

A3.2.3功率输出

在功率输出状态期间，风力发电机组产生的功率取决于风速。

图A1中定义了主要数据。

对于没有切出风速的风力发电机组，在计算中可以用50年一遇风速（A2.2.1.1）来代替。

A3.2.4正常刹车

正常刹车状态是介于功率输出状态和待机状态之间的一个过程，或处在功率输出过程中的状态，例如，从高转速到低转速的一个过渡过程。

A3.3故障

如果风力发电机组发生故障就会出现这种情况，在这里假定相互独立的故障不会同时发生。

A3.3.1应急停车

应急停车可能由下列原因引起，例如：

———人工触发；

———超过安全和控制系统中规定的极限值引起的触发（超速、超功率、振动等）。

A3.3.2控制系统故障

控制系统故障包括偏航系统故障、输出控制系统故障、叶片调节系统故障。

A3.3.3安全系统部件的故障

在安全系统中，几个独立部件同时发生故障的情况可以不必考虑。

下面的情况需要特别注意：

———主刹车系统故障；

———叶片变距系统故障（如果应用此系统）。

A3.3.4电力系统故障

A3.3.4.1在此，要特别研究发电机短路的情况，因为它可产生一个极大的瞬间载荷。

两相短路产生的扭矩通常会比三相短路的更大，因此两相短路是起决定性的，在没有更精确的经过验证值的情况下，应用下面所给的方程。

A3.3.4.2在同步发电机两相短路的情况下，应分析下列电磁扭矩M：

式中Mk———感应发电机倾复力矩；

σ———漏磁系数；

α———两相短路的相角，等于=arctan（ωgT1）；

ωg———电网的角频率；

t———时间；

T1———定子的时间常数。

Mk、σ和T1的值按发电机制造商提供的资料使用。

如果需要的值未知，则应考虑8倍额定扭矩的值。

A3.3.4.4对感应发电机来说，也应研究三相短路的情况，在此应分析下面的电磁扭矩：

M=2Mksin（ωgt）exP（-2SKωgt）

式中ωg———电网角频率；

Mk———倾复力矩；

SK———发电机制造商给定的感应发电机的倾斜转差率。

由下式就可获得最大扭矩：

A3.4发生故障后的状态

A3.4.1具有缺陷或损坏元件（例如A3.3中的情况）的风力发电机组属于这个范畴。

A3.4.2风力发电机组未与电网连接的状态，即电网故障超过1小时，若这种情况持续5天应认为是故障状态。

A3.5运输、吊装、维护和交付

A3.5.1制造商应说明在什么天气，特别是最大平均风速（10min平均）条件下，机组可以进行吊装和维护。

在运输和吊装过程中增加的载荷应加以考虑。

A3.5.2工作次序应用适当的文件说明。

A3.5.2在维护情况下，应特别注意各种锁定装置的作用（如风轮叶片、偏航驱动）以及可能采用的维护位置。

A4载荷

A4.1总则

A4.1.1载荷是由特定的外界条件和运行状态的组合来确定。

用于静强度计算的载荷一般由下列组合给出：

———正常的外界条件和正常运行；

———正常的外界条件和A3.3和A3.4提到的故障；

———极端外界条件和正常运行。

A4.1.2外界条件和运行状态假定在统计规律上是相互独立的，则极端外界条件和故障的组合是不可能发生的，所以可以不必考虑。

确实需要考虑的组合集中在表A2中。

A4.1.3在这些组合中，在A4.3至A4.6部分定义的载荷组是用于估算的，这些载荷的特点在于具有可选择的附加补充影响的基本状态。

A4.1.4用于疲劳分析的载荷一般只来源于正常外界条件和运行状态的组合。

本标准假定由于其他组合很少发生，因此不会对疲劳强度产生任何明显的影响。

除非采用A4.7的替代载荷谱，否则在疲劳分析时应考虑正常外界条件的湍流影响（A2.2.5）。

A4.1.5需要研究的一般载荷组合集中列在C.7.A5部分的表A4中，对于某些结构的机组，一些载荷情况可以取消，或增加新的载荷情况。

A4.1.6对所有的载荷情况，需要考虑下面的影响：

———叶片和暴露在风中的风力发电机组的所有表面上的气动力；

———惯性力，特别是重力、离心力和陀螺力；

———由电子或液压元件的动作产生的操作力；

———从能量吸收产生的力，例如，由驱动电动机产生的扭矩。

A4.1.7对于所有载荷情况，应画一个包括相关点（通常在叶根、轮毂和塔顶）截面力

的图表。

A4.1.8疲劳分析是以载荷谱为基础的，可用不同的方法确定疲劳分析的载荷谱，例如，通过测量或计算机仿真。

在A4.7中给出了一个在疲劳分析中使用的简化替代载荷谱。

A4.2载荷局部安全系数

A4.2.1对于可维修性极限状态的分析，载荷局部安全系数уF=1.0可以用于所有的承载部件。

A4.2.2当验证极限状态（即静态应力分析）时，表A3给出的载荷局部安全系数适用于相应载荷组的各种承载部件。

①如果质量能准确测定。

A4.2.3对于疲劳分析，载荷局部安全系数уF=1.0适用于所有的承载部件。

A4.3正常载荷情况

正常载荷情况是由正常外界条件和正常运行组成的，至少应研究下面的情况：

A4.3.1载荷组N1

载荷情况N1.0：

基本功率输出状态（A3.2.3）和风速为VR、Vo以及在结构上产生最大载荷的y，和Vo之间的正常外界条件（A2.2）

载荷情况N1.1：

正常运行阵风（A2.2.6）。

载荷情况N1.2：

侧风（A2.2.7.1）。

载荷情况N1.3：

电网故障或失载（A2.4）。

载荷情况N1.4：

温度变化引起的影响（A2.2。

10）。

A4.3.2载荷组N2

载荷情况N2.0：

在风速VI、VR和Vo点的正常外界条件下起动的基本状态（A3.2.2）。

载荷情况N2.1：

正常工作阵风（A2.2.6）。

A4.3.3载荷组N3

载荷情况N3.0：

在风速为V1、VR和Vo点的正常外界条件下，刹车过程的基本状态（A3.2.4）。

载荷情况N3.1：

正常运行阵风（C.7.A2..2.6）。

A4.3.4载荷组N4

载荷情况N4.0：

在风速直至V1，下的正常外界条件下的待机基本状态（A3.2.1）。

载荷情况N4.1：

年阵风的发生（A2.2.3）。

载荷情况N4.2：

侧风（A2.2.7.1）。

载荷情况N4.3：

温度变化的影响（A2.2.10）。

A4.4极限载荷情况：

极限载荷情况是由正常运行状态和极限外界条件组合构成，至少应研究下列情况：

A4.4.1载荷组E1

载荷情况E1.0：

基本功率输出状态（A3.2.3）和风速为VR和Vo以及在结构上产生

最大载荷的V1和Vo之间的正常外界条件的正常外界条件（A2.2）。

载荷情况E1.1：

考虑风向极端变化和可能的偏航（A2.2.7）情况下的极端运行阵风（A2.2.6）。

载荷情况E1.2：

在风轮扫掠面上的极限风速梯度（A2.2.9）。

载荷情况E1.3：

负载的极端影响（A2.4）。

载荷情况E1.4：

在功率输出过程中的结冰载荷（A2.2.13）。

A4.4.2载荷组E2

载荷情况E2.0：

具有50年一遇风速（A2.2.1）下的基本待机状态（A3.2.1）。

载荷情况E2.1：

50年一遇阵风（A2.2.2）和风向极端变化（A2.2.7.2）的发生，如果电网发生故障（A2.4），将导致更不利的状态，可以应用这一状态。

对于水平轴风力发电机组，可以假定平均风向（在阵风前）和风力发电机组轴向一致。

载荷情况E2.2：

结冰载荷（A2.2.13）和风向的极端变化（A2.2.7.2）。

A4.5特殊载荷情况

特殊载荷情况通常是由故障运行状态和正常外界条件组成，至少应研究下列情况：

A4.5.1载荷组S1

载荷情况S1.0：

由基本功率输出状态（A3.2.3）和在风速VR和VA时的正常外界条

件（A2.2），以及对结构产生最大载荷的介于V1和VA之间的风速一起构成。

载荷情况S1.1：

根据A3.3.1的应急刹车状态。

载荷情况S1.2：

根据A3.3.4的内部电气系统故障。

载荷情况S1.3：

根据A3.3.2的控制系统的故障。

载荷情况S1.4：

根据A3.3.3的安全系统或制动系统中的故障。

载荷情况S1.5：

根据A2.5的地震。

注：

当分析载荷组S1中的特殊载荷情况时，应注意制动系统的要求。

A4.5.2载荷组S2

载荷情况S2.0：

基本状态：

在年平均风速（A2.2.3）下发生故障（A3.4.1）的状态。

载荷情况S2.1：

一年一遇的阵风（A2.2.3）。

A4.6运输和吊装载荷情况

这些载荷情况来源于制造商规定的运输和安装时的吊装条件（也可见A3.5），由制造商规定的外部条件，在吊装和维护期间的短暂状态以及在竖立期间多于一天的盛行状态。

A4.6.1载荷组M1

载荷情况M1.0：

基本状态：

如果没有规定风速，在制造商规定的最大允许平均风速或

年平均风速下吊装、安装和维护状态（A3.5）。

载荷情况M1.1：

如假定年平均风速为基本状态，正常工作阵风或年阵风的发生。

载荷情况M1.2：

在校验塔架时，应考虑由涡流脱落引起的横向振动。

A4.6.2载荷组M2

在运输和吊装过程中的载荷情况（A3.5.1）。

A4.7疲劳分析载荷谱

A4.3下所列的正常载荷情况是进行疲劳分析的最低要求。

在确定载荷谱时，需注意A4.1.8下的实测值。

载荷循环用雨流计数法进行确定。

假定最少寿命为20年。

除交变载荷外，还应指明平均值。

这些值可从雨流矩阵中或从简化载荷谱中获得，在额定输出时的平均载荷可以作为疲劳分析的平均值。

A4.7.1需考虑的影响

对于通过计算得出的载荷谱，还须考虑下面的影响：

———重力；

———偏心度：

对于风轮，要考虑实际质量的偏心度。

如果不知道，可用下面公式：

对于平衡过的风轮：

eM=0.005R

对于未平衡的风轮：

eM=0.05R

式中R———风轮半径（m）。

———风力发电机组的结构动力学：

应考虑叶片的弹性，传动系统和发电机的扭转振动以及塔架的弯曲。

在不能忽略其影响的前提下，也应考虑机器的弹性安装、塔架的扭转应力和地基的影响；

———应根据塔的几何形状考虑塔的堵塞效应和塔影效应对风速图形的扰动；

———由叶片制造或装配公差引起的气动力的不对称，应考虑其实际公差，如果不太清楚，可假定叶片的安装角公差范围为±0.3°；

———所用翼型的动态失速；

———根据A2.2.8的正常风速梯度；

———根据A2.2.5的风湍流度，其仿真时间一般不应少于10min；

———平均风速变化；

———如果只考虑风湍流度的纵向分量，除应考虑按A2.2.5.1的侧面的恒定倾斜气流外，还应考虑按A2.2.7.1变化的侧风；

———根据A2.3.3的风向在水平方向的偏移；

———对于具有主动偏航的水平轴风力发电机组，如果偏航速度超过15/R（°/s）或偏航加速度超过450/R2（°/s2）时，应考虑偏航系统在10%的使用寿命内的工作（其中尺为风轮的半径，单位为m）；

———当起动和停车过程经过塔的共振点时要考虑动态放大率（通常包括在结构动力学中）：

在速度V1每年有1000次起动和1000次停车过程；

在速度Vo每年有50次起动和50次停车。

———对变桨距风力发电机组、变速风力发电机组和其他相关的情况来说，应以实际方式来考虑控制系统（控制性能）。

A4.7.2水平轴风力发电机组气动载荷部件的简化载荷谱

A4.7.2.1对于三叶片、风轮直径为46m以下的水平轴风力发电机组来说，图A2所示的载荷谱适用于气动载荷部件，在此，最大范围△Smax相当于A4.3.1（载荷情况N1.0）在VR处的平均气动载荷的1.5倍，最大载荷循环次数是在风力发电机组整个使用寿命期内假定是连续工作的条件下由其风轮的额定转速和叶片频率来导出（风轮的额定转速乘以风轮的叶片数）。

这也适用于变速运行的风力发电机组。

注：

由惯性力和重力得出的载荷循环次数可按由风力发电机组的工作特性求得的其出现频率加以考虑。

气动载荷部件的简化载荷谱应叠加在这一载荷谱上。

A4.7.2.2假设作用在轮毂上的气动推力有一个作用力的偏心距：

式中ω———按A2.2.9在任何方向上极限风速梯度（ms-1m-1）；

R———风轮半径（m）；

VR———额定风速（m/s）。

对风轮的俯仰力矩来说，应这样来假定：

作用力使得由风轮重量产生的力矩增加。

对其他载荷分量来说，每种情况的作用力应假定在最不利的位置上。

用这种方式确定的俯仰力矩和偏航力矩的载荷谱应假定同时起作用，其相位差为90°。

A4.7.2.3对于叶片和叶片的附件来说，旋转速度是载荷循环次数的决定性因素，对于风力发电机组的其他部件来说，叶片经过的频率（旋转速度乘叶片数）是一个决定性因素。

在计算载荷循环总数时，假定在整个使用寿命期内，风力发电机组都在yR风速下运行。

A4..7.2.4对于叶片来说，由重力引起的载荷波动应叠加到气动载荷引起的波动上。

在每一种情况下应用气动力与重力之间的相同相位关系来求摆振力和力矩的载荷分量。

对其余载荷分量，可以假设气动力的相位关系对应于由垂直风速梯度引起的相位关系（即在顶部或底部最大）。

A4.7.2.5作为平均值，应假设按A4.7.2.1（气动载荷和重力载荷）在额定输出功率时的载荷用于确定载荷谱（A4.3.1在yR时的载荷情况N1.0）。

A5载荷情况表

为了防止在土壤和基础之间出现裂纹，应分析正常载荷情况（载荷情况Nx.0）的基本状态。

在载荷情况M1.0/M1.1下，如果制造商未对安装和维修规定最大允许平均风速，则应假定年平均阵风风速。

符号说明：

Vo———切出风速（10min平均值），VA———短期切出风速。